钾离子溶液洗煤对煤泥压滤的影响分析

2012-12-12王辉锋徐志强裴大牛

中国煤炭 2012年3期

王辉锋徐志强裴大牛蔡斌

（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083）

湿法选煤要消耗大量的水（每洗选1t原煤，约需使用3m3水），因此煤泥压滤就成为选煤厂至关重要的一个环节。原煤经过水洗后，原煤中粘土矿物会膨胀水化，其中以蒙脱石为代表的极易膨胀的粘土矿物表现最为明显。在众多的研究中都是加药处理，促使煤泥快速沉降，但这种煤泥即使沉降后仍然难以压滤。

本实验从抑制蒙脱石膨胀着手，通过采用钾离子溶液洗煤，抑制其中粘土矿物的膨胀，使其颗粒不分解，从而使煤泥水尽可能不形成胶体状态，使得沉降性得以改善。

实际煤样来自铁法能源集团小康煤矿，该矿煤种为长焰煤，煤层中均含有较多的泥岩、页岩和大量的油母页岩，煤泥水均呈胶体形式存在，曾被业内称为“永不沉淀的煤泥水”（煤泥水原样放入瓶中可保持数月不分层），这样的煤泥水特性无疑给洗煤生产尤其是后续的煤泥水处理工作带来非常大的技术难度和管理难度。

1 实验材料

煤泥样品来自铁法能源集团小康煤矿，煤泥小筛分实验结果见表1。

表1 煤泥湿法筛分实验结果

1.1 原煤中矿物含量测定结果

用X射线衍射分析法对原煤样品的矿物种类和含量进行分析，结果显示该原煤中粘土矿物含量为36.3%，其中：含石英12.0%，钾长石0.7%，斜长石1.8%，方解石1.8%，黄铁矿1.7%，而非晶质占到45.7%。粘土矿物中伊蒙混层含量较高，达到50%，高岭石含量为40%。

1.2 药剂

实验所用蒙脱石为化学纯，样品的平均粒度为4.78μm，KCl为分析纯。

1.3 实验装置

实验原理图见图1。过滤面积为19.6c m2。实验时，先将滤布放入桶内底部密封好，然后倒入料浆，封好顶部，之后通入压力为0.8 MP a空气，在压力作用下，滤液穿过滤布留出，滤饼截留在滤布上，本实验以高压气流吹通滤饼为结束。测定整个高压气流压滤时间和最终滤饼水分。

图1 压滤实验原理图

2 压滤实验

2.1 粒度对比实验

取干燥的蒙脱石2.5g，分别用水、KCl溶液溶解，之后使用L S－C（1）激光粒度仪进行粒度检测。结果发现，水溶蒙脱石的平均粒度为4.78 μm，而KCl溶液溶解的蒙脱石平均粒度为23.58μm，说明KCl溶液有效地抑制了蒙脱石的膨胀和水化。

2.2 钾离子溶液添加量实验

取干燥的蒙脱石2.5g，分别用水和不同浓度的KCl溶液在250ml量筒中做静沉降实验。根据上清液透光率和沉积物高度来分析其沉降特性，确定最佳的钾离子添加量，实验结果见图2。

从图2可以得出如下结论：

（1）蒙脱石遇水后形成膨胀乳状液，静置45 m in基本无分层。用KCl溶液溶解蒙脱石后，沉降效果有很大改善。

（2）以10g／L的KCl溶液对其沉降效果最好。

图2 不同浓度KCl溶液对蒙脱石沉降的影响

2.3 传统压滤与KCl溶液煤泥压滤实验对比

为了了解不同蒙脱石含量对不同粒级煤泥压滤的影响，将精煤分成不同粒级，分别用不同粒级的精煤与蒙脱石配比，用水和KCl溶液（10g／L）分别溶解，配制成300g／L的煤泥水，之后进行压滤实验对比。

对于压滤效果而言，过滤速度越快越好，滤饼水分越低越好，因此，本实验建立一个综合指标，该综合指标S为：

式中：V——过滤速度，ml／s；

M——滤饼水分，%。

该综合指标数值越大，表明压滤效果越好，计算结果见表2、图3。

图3 不同蒙脱石含量对不同粒级精煤压滤影响效果

经分析，可以得到如下结论：

（1）各粒度级的物料用KCl溶液均比用水溶液压滤效果好，同等粒度下，前者的过滤速度是后者的3～8倍，前者的滤饼水分也比后者有所降低。

（2）随着蒙脱石含量增加，压滤效果迅速变差。

（3）用KCl溶液时，各级物料均能被有效压滤，传统的用水溶解，当蒙脱石含量达到50%时均不能被压滤，当粒度低于0.1mm时，蒙脱石含量达到30%时均不能被压滤。

（4）粒度越粗，压滤效果越好。

2.4 现场原煤压滤实验对比

取现场原煤磨碎后，分别用水和KCl溶液配成300 g／L的煤泥水，进行压滤实验，结果见表3。

表2 不同蒙脱石含量对不同粒级精煤压滤的影响

表3 原煤加水压滤与加KCl溶液压滤效果对比

由表3可知：

（1）KCl溶液溶解后的原煤压滤效果远优于水溶解原煤压滤效果，前者的过滤速度约是后者的9倍，滤饼水分明显降低。

（2）由于小康矿煤中粘土矿物伊蒙混层最多，因此比较适合钾离子溶液洗煤。

3 理论分析

关于无机盐抑制蒙脱石膨胀的研究多数集中在油田钻井方面，用以配置防塌钻井液。

目前普遍认为，K＋和NH4＋抑制粘土水化的主要机理有以下两点：

一是这两种离子的水化能低。K＋和NH4＋水化能均低于Li＋、N a＋、C a2＋、M g2＋和B a2＋等阳离子。由于粘土对阳离子吸附具有选择性，它优先吸附水化能较低的阳离子，因而K＋、NH4＋往往比N a＋或C a2＋优先被粘土所吸附。此外，当其被粘土吸附后，由于水化能低，会促使晶层间脱水，使晶层受到压缩，形成紧密的构造，从而能够有效地抑制粘土水化。

二是K＋、NH4＋的直径大小刚好可以进入两个氧六角环之间的空间。由于水化后的K＋、NH4＋离子半径仍小于伊利石和蒙脱石的层间间隙，因而能进入层间，其它离子（除C s＋和R b＋外）水化后的半径都大于该间隙，因而不能进入。当K＋失去吸附水化膜时，稍微变小，相邻晶层的四面体晶片互相靠近。随着上述过程继续进行，收缩作用迫使K＋进入裸露表面的自由空间，它立刻被牢固地保留在适当位置上。由于K＋形成键合，从而限制了相邻硅酸盐晶片的膨胀和分离。K＋的这种作用称为K＋的晶格固定作用，正是由于这种作用，使K＋有可能尽量靠近相邻晶层的负电荷中心，因而所形成的致密构造不会在水中再发生较强的水化。这种构造已经过脱水、压缩，所以K＋很难再被置换。